室溫超導體將如何改變科學？

文 / 歐陽永叔
LK-99（即將改變世界的紫色晶體）引起的興奮浪潮現已平息，因為研究表明它不是超導體。但仍然存在一個問題：真正的室溫超導體會是革命性的嗎？答案是，這取決於應用，以及假設材料是否還具有其他關鍵品質。但至少在某些科學領域，特別是那些使用強磁場的科學領域，更好的超導體可能會產生巨大的影響。達維德·卡斯泰爾維奇Davide Castelvecchi發表在最新一期《自然》(Nature)的<室溫超導體將如何改變科學？> (How would room-temperature superconductors change science?)指出，這些珍貴的材料可以為研究帶來變革——但前提是它們具有其他基本品質。(The prized materials could be transformative for research — but only if they have other essential qualities.)
LK-99 不是超導體——科學偵探如何解開這個謎團
超導體是在一定溫度下開始無電阻地傳導電流的材料，因此不會產生廢熱。但所有已證實的超導體僅在低溫或極壓或兩者兼而有之的情況下才表現出這種特性。一些科學家正在尋找在正常條件下、室溫和環境壓力下發生超導轉變的材料。
儘管當今超導體的低溫要求嚴重限制了它們在日常應用中的使用，但這些材料在實驗室中已經變得無處不在，研究人員可以使用一系列技術來降低其溫度。這是可行的，但通常會增加實驗的成本和復雜性。
一個極端的例子是大型強子對撞機 (LHC)，它是位於瑞士日內瓦附近的
00000歐洲粒子物理實驗室 CERN 的加速器。為了保持質子在 27 公里的圓周上移動，大型強子對撞機使用溫度保持在 1.9 開爾文 (–271.25 ºC) 的超導線圈產生強磁場。為此，需要一個含有 96 噸液氦的低溫系統，這是世界上同類系統中最大的。「如果不需要極端溫度，工程就會被簡化，」歐洲核子研究組織 (CERN) 磁體研究員、核工程師盧卡·博圖拉 (Luca Bottura) 說。
因此，按理說，在室溫或接近室溫下工作的超導體將迅速徹底改變許多科學領域，對嗎？沒那麼快。
量子計算對噪聲極其敏感，而熱振動更是主要敵人
以量子計算機為例，這種新興技術有望解決傳統計算機無法完成的某些任務。構建量子計算機的主要方法之一是將信息存儲在超導材料環中。它們在稱為稀釋冰箱的昂貴的類似俄羅斯套娃的設備中被冷卻到接近絕對零（−273.15 ℃）。
在基於超導體的量子計算機中，當溫度升高哪怕是零點幾度時，性能都會迅速下降——其原因與超導性無關。超導量子計算的共同發明人 Yasunobu Nakamura 表示，量子計算對任何類型的噪聲都極其敏感，而熱振動是一個主要敵人，它會產生虛假的「準粒子」。「在 100-150 毫開爾文左右，我們已經開始看到熱激發準粒子的對抗效應，」日本和光市 RIKEN 的物理學家 Nakamura 說道。
超導體的性能會隨著系統變冷而提高
在其他情況下，實驗本身可能不需要極冷，但超導體可能仍然需要保持比其轉變為超導性的溫度（稱為 T c ）低得多。超導體的物理特性各不相同，在許多應用中——尤其是高場磁體——另外兩個特性至關重要。這些被稱為臨界電流和臨界磁場。超導性不僅會在溫度升高時喪失，而且當材料被推以承載超過一定量的電流或暴露於足夠高的磁場時也會喪失。麻省理工學院等離子體科學與聚變中心裝有高溫超導磁體的低溫恆溫器。
至關重要的是，臨界場和臨界電流都與溫度有關：溫度越低，材料可以承受的電流和磁場就越高。因此，僅僅因為超導體具有高T c，並不意味著它可以在低於T c的任何溫度下使用。在許多應用中，超導體的性能會隨著系統變冷而提高。
高場磁體必須在盡可能低的溫度下運行
幸運的是，迄今為止發現的最好的超導體，包括一類稱為氧化銅（或銅酸鹽）超導體的超導體，在保持足夠冷的情況下也可以承受非常高的磁場。四年前，位於佛羅里達州塔拉哈西的美國國家強磁場實驗室 (NHMFL) 使用一個銅酸鹽獲得了穩定（而非脈衝）磁場強度的記錄。NHMFL 的超導線圈產生 45.5 特斯拉的磁場，但前提是它們保持在液氦中，因此低於 4.2 開爾文。「我們使用高溫超導體不是因為Tc很高，而是因為[它們的臨界磁場]很高，」NHMFL 首席科學家、物理學家勞拉·格林 (Laura Greene)說道。
「如果你想要一個高場磁體，你需要在盡可能低的溫度下運行，因為這樣你才能獲得超導的真正力量，」另一個美國國家實驗室的機械和電氣工程師 Yuhu Zhai 說，新澤西州的普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）。
中國的加速器圓形正負電子對撞機使用高溫c磁體
歐洲核子研究中心正在探索未來粒子對撞機的選擇，最終粉碎質子的能量將是大型強子對撞機的七倍——物理學家希望他們能夠在這個範圍內發現新的基本粒子。為了達到更高的能量，必須使用更高的場或沿著更長的加速器環路或兩者來加速粒子。為了建造這樣一台機器，物理學家夢想在大型強子對撞機隧道旁邊挖一條長達 100 公里的圓形隧道。但即使有如此大的環路，像 LHC 這樣的超導磁體（帶有鈮鈦線圈的 8 特斯拉怪物）也無法產生所需的磁場（估計為 16 到 18 特斯拉）。「在這一點上，很明顯我們必須轉向其他材料，」博圖拉說。
當前的高溫超導體可以實現這一目標——但可能前提是它們保持在液氦溫度下。中國的一個類似的加速器提案——圓形正負電子對撞機，也將使用高溫c磁體。「我們研究高溫超導材料已經有一段時間了，主要是銅酸鹽和鐵基材料，」北京高能物理研究所所長王一方說。